高效分离器研制项目实施情况

    一、基本情况

　　随着我国能源紧缺和环境污染问题的日益突出，国家对大气污染物排放控制提出了更为严格的要求，必须进一步降低污染大户如燃煤发电、石化、钢铁、水泥等行业的排放强度，提高排放标准。国家能源科技“十二五”规划中提出要建成国际一流的火力发电节能减排和污染控制技术研发中心，研发掌握具有自主知识产权的火力发电节能减排和污染控制及资源化关键技术，降低现役火电厂能耗水平，使火电排放的污染物得到资源化循环利用，提高火电厂清洁生产水平。

　　高效细粉分离器研制及示范项目，是中国华电集团科学技术研究总院多相流分离技术中心承担的北京市重大科技专项和华电集团重大科技项目。项目主要针对我国日益快速增长的能源消耗和日趋严峻的环保压力，以及燃煤电厂能耗偏高及污染排放超标等现状，利用科研总院彭维明教授所掌握的先进分离技术及专利，研发能源行业急需升级改造的关键分离技术设备，解决燃煤发电制粉系统分离器高耗低效的现状，为锅炉燃烧配送合格的煤粉，提升锅炉的燃烧效果，有效提高燃煤电厂能源的转换效率，实现节能减排和环境保护。

　　课题承担单位——中国华电集团科学技术研究总院隶属于中国华电集团公司，是集团公司为了进一步适应世界能源产业发展趋势，贯彻落实中央关于引进海外高层次人才“千人计划”的重大决策，实施科技强企战略，有效整合集团公司内部技术资源，建设高水平创新团队，提升集团公司自主创新能力和核心竞争力，推进集团公司做强做优，努力建设具有国际竞争力的世界一流能源集团的需要而组建的综合性能源科学技术研究单位。科研总院依托国家“千人计划”专家彭维明教授积累的雄厚技术基础，组建了多相流分离技术研究团队，建立了高性能CFD计算中心和多相流分离技术实验室，为能源、环保等行业研发、提供先进技术，促进节能减排和污染排放控制。

　　在华电集团、北京市科委、华电国际、华电河北分公司及鹿华电厂的大力支持下，以彭维明教授为课题组长的华电科研总院多相流分离技术团队，于2013年5月~9月实施了鹿华热电#2锅炉A、D制粉系统细粉分离器改造项目示范工程。

　　经河北省电力科学研究院对改造前、后制粉系统性能及锅炉效率的对比测试表明，示范项目改造后的细粉分离器各项性能指标均显著优于国内行业水平，细粉分离器改造后对制粉系统性能、锅炉热效率和污染物控制等方面均产生了显著提升，本项目取得了圆满成功。

　　二、项目背景

　　目前我国电厂入炉煤质普遍呈逐年下滑趋势，热值降低、灰分升高、煤质难燃尽成为制约锅炉效率和电厂效益提升的重点难题。电厂实际煤质严重偏离设计煤种，导致制粉系统运行不正常，制粉系统出力下降、制粉单耗大幅增加、煤粉细度整体偏粗、煤粉均匀性下降等问题日渐凸显。针对制粉系统分离器存在的性能不足和运行安全性等关键问题，科研总院多相流分离技术研发中心，基于彭维明教授的具有国际领先水平的核心分离技术，提出了从细粉分离器到粗粉分离器，再到双进双出磨煤机分离器的整套循序改进方案。

　　中储式制粉系统中的细粉分离器通常采用旋风分离技术。旋风分离器广泛应用于电力、石油、化工、钢铁、水泥等国家重要行业和领域。自上世纪六十年代到本世纪初，作为一种传统的技术和设备，旋风分离器性能的提升走到了一个瓶颈期，在机理研究和技术革新方面进展缓慢，成为制约工艺装备水平和困扰国际研究领域的重大难题。彭维明教授一直致力于探索旋风分离技术的深层物理机制，通过持之以恒的研究从旋风分离器流场中的漩涡破碎、断裂以及漩涡不稳定性方面，揭示了科学界和工业界长期为之困扰的分离效率瓶颈无法突破的深层次原因，在国际领域和行业内实现了核心技术的突破。自2003年至现在，相关技术成果已经应用于挪威、法国、葡萄牙、美国、荷兰等欧美油气行业。

　　河北鹿华热电有限公司是国内具有代表性的、采用中储式制粉系统的燃煤电厂，装机容量2×33万千瓦，燃用无烟煤、贫煤等难燃煤种，每台机组配备4套钢球磨煤机制粉系统。国内中储式制粉系统存在煤粉细度偏高、排粉机叶轮磨损严重、烟气NOx含量偏高等问题，由于相关领域技术水平的限制使得上述问题难以彻底克服。在上级有关单位和领导的支持下，鹿华热电以其改造提升设备性能，促进节能降耗的坚定决心，以及用先进技术带动企业进步的远见卓识，与科研总院迅速达成了制粉系统细粉分离器改造优化的合作协议。

　　三、项目实施

　　本项目在鹿华热电#2机组制粉系统A、D细粉分离器上进行了改造示范。为保证工作的可靠性，项目依次开展改造前A、D制粉系统性能试验及锅炉性能测试、2A细粉分离器改造及改造后性能测试、2D细粉分离器改造及改造后性能测试、改造后锅炉性能测试工作。示范项目总体实施过程如下：

　　(1) 2013年5月8日，集团公司副总经理邓建玲主持召开“高效多相流分离技术研发及应用”专题推进会。

　　(2) 2013年5月中旬~7月上旬，科研总院多相流分离技术中心进行鹿华热电#2锅炉现场测绘、分离器设计、CFD数值计算及设计优化。

　　(3) 2013年7月上旬~7月中旬，改造前#2锅炉A、D制粉系统性能试验、锅炉效率试验。

　　(4) 2013年7月中旬~8月上旬，A制粉系统细粉分离器改造、改造后性能测试。

　　(5) 2013年8月中旬~9月中旬，D制粉系统细粉分离器改造及改造后性能测试、改造后锅炉效率试验。

　　细粉分离器实施改造前，科研总院多相流分离技术中心首先采用高性能计算平台，进行了改造前细粉分离器内部流场的CFD计算，获得了流体的流动和涡旋特性，预测了其对煤粉的分离效果，发现了其在结构、形状、尺寸及流场等方面的设计不足之处。在对原系统进行分析的基础上，进行了新型高效分离器的理论设计和数值分析，通过优化分离器结构和内部流场，获得了最终的优化设计方案。扎实而全面的理论和数值分析，为项目的成功打下了坚实的基础。

　　研制设计的高性能细粉分离器为匹配电厂现有制粉系统设备（磨煤机、排粉机、粗粉分离器等）的出力，采取了相对保守的设计，对旧细粉分离器局部进行改造的技术方案，整个项目自2013年5月10日起，从改造前现场测绘、高效细粉分离器设计及制造、改造前现场测试、现场改造与安装，到9月中旬完成改造后现场测试，共历时四个月。仅就单台细粉分离器的改造安装而言，两周以内即完成施工。

　　四、项目效果

　　为检验项目实施效果，项目实施前华电科研总院委托河北省电力科学研究院，对改造前、后的#2锅炉制粉系统性能指标、锅炉热效率、污染物排放情况进行详细对比测试，并出具正式的测试报告。

　　测试结果表明，细粉分离器改造后主要性能指标获得显著提升，由此对制粉系统性能、锅炉热效率和污染物排放等方面均产生了明显的积极影响。主要如下：

　　制粉系统方面:

　　(1) 2A、2D制粉系统，在设计流量运行工况下，细粉分离器效率由改造前的84%左右，大幅提高十一个百分点，达到95%以上，且在很宽的运行工况范围内，仍然保持很高效率；

　　(2) 乏气带粉量的减少，使三次风煤粉密度明显降低，排粉机电流降低3.5 A左右，单台排粉机年可节约电耗7万元左右；

　　(3) 改造后制粉系统单耗约降低2.14 kWh/吨煤，减少供电煤耗0.23 g/kWh，按2012年燃用180万吨煤计算，单台机组改造两台细粉分离器的情况下，制粉系统年减少厂用电量96万kWh，相应年增加上网电量收益40万元；

　　(4) 细粉分离器改造后乏气带粉量仅为改造前的1/3，且煤粉更细，将显著缓解乏气带粉对制粉系统相关设备的磨损，预计可使设备维修、叶轮更换方面的投入大幅减少；

　　(5) 乏气带粉量的大幅减少，既降低了排粉风机故障率，也降低了排粉风机蜗壳和出入口系统管道及挡板的冲刷磨损造成的漏粉发生，全面提高了制粉系统和锅炉的安全可靠性，尤其为冬季供热期间长期高负荷稳定运行奠定了基础。

　　锅炉性能及污染物排放方面:

　　(1) 改造后的A、D制粉系统与未经改造的B、C制粉系统分别运行时，27万负荷下过热器减温水量减少9.65 t/h，再热器减温水量降低7.16 t/h，飞灰可燃物含量降低0.56%，锅炉排烟温度降低3℃左右，锅炉热效率提高0.56个百分点；

　　(2) 根据锅炉热效率以及各相关参数的变化，改造后共计降低机组供电煤耗1.87 g/kWh，单台机组每年节约煤耗252万元以上（机组按年利用小时数5500计算，且考虑一台机组供热量折算电量、标煤按市场价630元/吨）；

　　(3) 改造后三次风带粉量大幅减少，同样负荷下炉膛下部燃烧区域的给粉量相应增加，稳定了锅炉燃烧，特别是低负荷时锅炉燃烧明显稳定；

　　(4) 改造后NOx排放明显减少，比改造前降低200 mg/Nm3。

　　项目投资回报：

　　两台分离器改造后，项目每年可为电厂创造292万元的综合效益，按项目科研投资495万元计，投资回报率接近60%（本技术产业化后，成本可以大幅下降，投资回报率还将进一步提高）。

　　细粉分离器改造后还取得了氮氧化物减排的效果，社会效益非常显著。

　　五、存在的不足与改进措施

　　高效细粉分离器示范项目虽然取得了显著的效果，科研总院技术团队回顾项目执行过程，认为仍存在待改进之处，需要进一步提高细粉分离器制造工艺、安装质量标准和严格测试条件。细粉分离器改造后三次风带粉量大幅下降，需要技术人员和运行人员对改进后系统特性进一步熟悉和调整优化燃烧，从而挖掘更多的成果。

　　六、致谢与展望

　　本项目的有效实施，是北京市科委、华电集团公司、华电国际、华电河北分公司对节能环保产业高度重视和大力投入的结果，亦是鹿华热电积极响应集团号召、支持科研成果应用转化、以先进技术带动企业进步的远见卓识的成果。本项目也得到了河北电力科学研究院的支持和帮助。在此，一并表示衷心感谢！

　　本项目的完成或许是一小步工作的结束，却以喜人的成效揭开了更大的序幕。为践行集团公司“可持续创造价值”理念，科研总院将继续秉承华电集团“自强求变，厚德求进”的精神，在上级领导的支持下，与各兄弟单位携手并进，全力、快速推进新技术的推广应用和持续改进，为创造更大的社会价值和经济价值而努力！